基于LLC隔離的光伏并網(wǎng)逆變器研究

摘 要： 傳統(tǒng)光伏并網(wǎng)逆變器使用工頻變壓器進行隔離，體積大、笨重、成本高、效率低。提出了一種利用半橋LLC串聯(lián)諧振電路進行隔離的光伏并網(wǎng)逆變器方案，分析了兩級式光伏并網(wǎng)逆變器各級結(jié)構(gòu)、組成、工作原理把采用變壓器隔離和半橋LLC串聯(lián)諧振電路隔離的光伏并網(wǎng)逆變器進行對比可知，采用LLC諧振電路進行隔離比變壓器效率高、重量輕、體積小。

關(guān)鍵詞： 光伏并網(wǎng)逆變器； LLC； DC?AC逆變； MPPT

中圖分類號： TN710?34 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）18?0164?04

0 引 言

隨著光伏行業(yè)的蓬勃發(fā)展，光伏并網(wǎng)發(fā)電已經(jīng)成為光伏發(fā)電領(lǐng)域研究和發(fā)展的最新亮點。光伏并網(wǎng)逆變器作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心，對提高整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率、可靠性、以及整個系統(tǒng)的使用壽命、降低成本至關(guān)重要[1]。

傳統(tǒng)的光伏并網(wǎng)逆變器按照有無隔離變壓器可分為隔離型和非隔離型兩大類。非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器由于體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、造價低，但是由于其跟電網(wǎng)之間沒有進行隔離，容易向電網(wǎng)饋入直流分量和諧波，增加系統(tǒng)傳導(dǎo)損耗，而且容易發(fā)生觸電危險，對人構(gòu)成傷害[2]。隔離型光伏并網(wǎng)逆變器可分為工頻隔離型和高頻隔離型。由于增加了隔離變壓器，系統(tǒng)保證不會向電網(wǎng)饋入直流分量，而且更安全。但是工頻變壓器成本高、體積大又笨重，所以工頻隔離型光伏并網(wǎng)逆變器不利于小型化和廣泛使用。高頻隔離型光伏并網(wǎng)逆變器雖然解決了前者體積大和笨重的問題，但是增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，增加了元器件數(shù)量提高了成本，整體效率并不高[3]。

綜合以上考慮，本文提出了一種利用LLC諧振電路進行隔離的高頻光伏并網(wǎng)逆變器設(shè)計方案，將隔離型和非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器的優(yōu)點結(jié)合到一起，既減輕了重量、縮小了體積、降低了成本，又提高了電能質(zhì)量和安全性。而且由于使用LLC諧振電路能夠?qū)崿F(xiàn)DC?DC級功率器件的軟開關(guān)，可以大大降低功率器件的開關(guān)損耗，因此能顯著提高整個系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率和器件的使用壽命。

1 光伏并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)及基本原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

采用LLC隔離的光伏并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)如圖1所示，它包括DC?DC直流升壓級和DC?AC逆變級兩級結(jié)構(gòu)，前級負責(zé)對太陽能電池陣列傳送過來的直流電進行升壓和最大功率跟蹤，后級負責(zé)對前級傳送過來的直流電進行逆變，最后經(jīng)過濾波電路后進行并網(wǎng)。

1.2 工作原理

光伏并網(wǎng)逆變器通過使功率器件有規(guī)律的開通、關(guān)斷來控制電能的傳輸，功率器件的開通關(guān)斷采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）方式來控制。太陽能電池產(chǎn)生的直流電首先送給DC?DC電路，DC?DC級執(zhí)行最大功率點跟蹤（MPPT）算法，使太陽能電池始終工作在最大功率點。經(jīng)過最大功率點跟蹤控制后DC?DC電路將太陽能電池的電能進行升壓變成適合DC?AC級的直流電，然后送到DC?AC級將直流電變換成交流電。控制器對采樣電路采取的電網(wǎng)電壓或電流相位進行跟蹤計算，然后通過調(diào)節(jié)DC?DC級功率器件開關(guān)使逆變器的輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，最后通過輸出濾波電路或隔離變壓器將電能輸送到電網(wǎng)。本文DC?DC級輸入200～300 V，輸出400 V直流電壓，輸出功率500 W，滿載時功率因數(shù)不低于94%。DC?AC級輸入直流電壓400 V，功率等級600 W，功率因數(shù)為1。

2 LLC電路分析

本文采用LLC諧振電路代替工頻變壓器進行隔離，這是跟傳統(tǒng)光伏并網(wǎng)逆變器所不同的地方，也是其優(yōu)點所在。傳統(tǒng)工頻隔離變壓器體積大、笨重、成本高，采用LLC諧振電路進行隔離可以大大縮小逆變系統(tǒng)的體積，提高效率和功率密度。LLC諧振電路是在傳統(tǒng)的串聯(lián)諧振電路基礎(chǔ)上，將變壓器勵磁電感[Lm]串聯(lián)在諧振回路中，構(gòu)成一個LLC諧振電路[4]。相比傳統(tǒng)的串聯(lián)諧振電路，由于增加了一個諧振電感，使得電路諧振頻率降低，無需使用額外輔助網(wǎng)絡(luò)就可以實現(xiàn)全負載范圍內(nèi)的開關(guān)管零電壓開關(guān)；其次，變壓器副邊整流二極管可以有條件的工作在零電壓關(guān)斷，減小了二極管反向恢復(fù)所產(chǎn)生的損耗；而且其適合工作在寬的電壓輸入范圍下，輸入電壓越高，效率越高，在工作點最優(yōu)時可獲得97%的轉(zhuǎn)換效率[5?7]。

4 結(jié) 語

通過將傳統(tǒng)變壓器隔離型光伏并網(wǎng)逆變器和采用LLC諧振電路隔離的光伏并網(wǎng)逆變器進行對比分析可知，半橋LLC串聯(lián)諧振電路能實現(xiàn)開光管的零電壓開關(guān)，減小開關(guān)損耗，從而大大提高逆變器系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。而且LLC諧振電路體積小，重量輕，成本低，易于實現(xiàn)小型化和模塊化，有助于光伏并網(wǎng)逆變器的廣泛推廣使用。

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